• ISSN 0258-2724
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基于RBF近似模型的磁悬浮轴承结构优化设计

周扬 周瑾 张越 徐园平

周扬, 周瑾, 张越, 徐园平. 基于RBF近似模型的磁悬浮轴承结构优化设计[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(3): 682-692. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210766
引用本文: 周扬, 周瑾, 张越, 徐园平. 基于RBF近似模型的磁悬浮轴承结构优化设计[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(3): 682-692. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210766
ZHOU Yang, ZHOU Jin, ZHANG Yue, XU Yuanping. Optimum Structural Design of Active Magnetic Bearing Based on RBF Approximation Model[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(3): 682-692. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210766
Citation: ZHOU Yang, ZHOU Jin, ZHANG Yue, XU Yuanping. Optimum Structural Design of Active Magnetic Bearing Based on RBF Approximation Model[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(3): 682-692. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210766

基于RBF近似模型的磁悬浮轴承结构优化设计

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210766
基金项目: 国家自然科学基金(52075239)
详细信息
    作者简介:

    周扬(1996—),男,博士研究生,研究方向为磁悬浮轴承、自激振动,E-mail:zhouyang0216@nuaa.edu.cn

    通讯作者:

    周瑾(1972—),女,教授,研究方向为磁悬浮技术、旋转机械、机电系统控制、振动控制,E-mail:zhj@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号: TH133.3

Optimum Structural Design of Active Magnetic Bearing Based on RBF Approximation Model

  • 摘要:

    主动磁悬浮轴承(active magnetic bearing,AMB)-转子系统中,转子质量分布上的不平衡引起不平衡振动,为提高系统的稳定性、减小转子在一阶弯曲临界转速处的不平衡振动,建立了考虑不平衡力和不平衡磁拉力的磁悬浮柔性转子机电一体化模型,并结合径向基(radial basis function,RBF)神经网络算法,得到转子振幅关于磁悬浮轴承结构参数的近似模型;以振幅最小为目标,通过参数灵敏度分析和多岛遗传算法(multi-island genetic algorithm,MIGA)对磁悬浮轴承进行结构优化设计. 数值仿真结果表明:在一定范围内增大磁悬浮轴承的偏置电流、磁极面积、线圈匝数,减少单边气隙能够增大系统阻尼,可以降低一阶弯曲临界转速处的不平衡振动幅值,优化后不平衡振幅较优化前减少近50%.

     

  • 图 1  磁悬浮轴承-转子实验台

    Figure 1.  Test rig of AMB-rotor

    图 2  磁悬浮轴承-柔性转子结构

    Figure 2.  Structure of AMB-flexible rotor

    图 3  频响输入输出示意

    Figure 3.  Diagram for frequency response of input and output

    图 4  实验和理论模型自由频响对比

    Figure 4.  Comparison between experimental and theoretic frequency response

    图 5  转子的理论模态振型

    Figure 5.  Theoretic model shapes of rotor

    图 6  转子理论坎贝尔图

    Figure 6.  Theoretic Campbell diagram of rotor

    图 7  8极径向磁悬浮轴承结构和x方向电磁力示意

    Figure 7.  Diagram of 8-poles radial AMB structure and electromagnetic force generated by radial AMB in x direction

    图 8  加入控制器后的闭环系统

    Figure 8.  Closed-loop system with controller

    图 9  加入不平衡力和不平衡磁拉力的闭环系统

    Figure 9.  Closed-loop system both with unbalanced force and unbalance magnetic pull

    图 10  不平衡质量测试

    Figure 10.  Diagram of unbalance mass test

    图 11  转子偏心示意

    Figure 11.  Diagram of rotor eccentricity

    图 12  转子升速位移响应

    Figure 12.  Rotor displacement response in a run-up procedure

    图 13  转子一阶弯曲临界转速处响应

    Figure 13.  Displacement response of rotor at first-order bending critical speed

    图 14  近似模型及优化流程

    Figure 14.  Flow diagram for establishment of approximation model and structure optimization

    图 15  径向基神经网络原理

    Figure 15.  Principle of RBF neural network

    图 16  模型参数分析示意

    Figure 16.  Diagram of model parametric analysis

    图 17  结构参数对不平衡响应的影响

    Figure 17.  Influence of structural parameters on the unbalanced response

    图 18  参数灵敏度分析

    Figure 18.  Parameter sensitivity analysis

    图 19  优化前后转子一阶弯曲临界转速处轴心轨迹数值仿真对比

    Figure 19.  Comparison between shaft centerline orbit before and after optimization

    表  1  径向磁悬浮轴承结构参数

    Table  1.   Structural parameters of radial AMB

    参数
    单个磁极线圈/匝75
    磁极面积/m24.05 × 10−4
    偏置电流/A2
    气隙/mm0.25
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    表  2  结构参数范围

    Table  2.   Range of structural parameters

    取值A/mm2I0/AC0/μmN/匝
    标准值4052.025075
    最小值3501.820065
    最大值4502.830085
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    表  3  参数优化结果

    Table  3.   Parameter optimization results

    项目A/mm2I0/AC0/μmN/匝
    优化前4052.025075
    优化后3802.120085
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-28
  • 修回日期:  2022-03-10
  • 刊出日期:  2022-04-13

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